城际铁路风雨监测仪器选型及测点布置优化研究

秦成文

摘 要：本文以佛山至肇庆城际铁路沿线风雨监测系统为对象，研究了沿线地域的风雨环境特性，优化了风、雨测布点；通过对比各种风、雨监测仪器的特征参数并结合线路环境特点完成了风雨仪器选型；对线路开通以来近两年数据的进行统计分析，验证了风雨监测及报警系统对保证列车行车安全的可靠性。

关键词：城际铁路；风雨监测；行车安全；仪器选型

中图分类号：TN931 文献标志码：A

0 绪论

（1）研究背景及意义

随着铁路运行速度的进一步提升，强风和强降雨对高速/城际铁路的行车安全构成巨大威胁。强横风在列车上产生巨大的横向荷载和侧向倾覆力矩，容易导致列车横向失稳和倾覆。例如，在我国西北，以前强风导致的列车脱轨和倾覆事故时有发生，造成了巨大的经济损失。强降雨容易破坏铁路基础，导致路基下沉或被冲毁，而且容易引起滑坡和泥石流，对高速列车构成巨大威胁。在铁路沿线建立风雨实时监测系统是确保行车安全的有效措施之一，该系统对重点地段雨量进行实时监测，必要时报警同时进行限速或封锁。

佛山至肇庆线是广东省内的城际铁路。容易遭受台风及强降雨的袭击，仅仅是2015年广东省就登录5次台风，经历32次强降雨，省内高速铁路风雨限速总共发生360多次。佛山至肇庆线以东西走向为主，南北季风对动车组列车来说是横风，影响更大；珠三角地区雨量充沛，多年平均降雨量在1600mm～1800mm，强降雨导致的洪水、滑坡、泥石流、地基下沉时有发生；因此，在铁路沿线设置风雨监测系统十分必要，关键时刻限速或封锁，对确保动车组列车运行安全具有重要意义。

（2）铁路风雨监测系统应用现状

目前，所有高铁都建设了相对完备的综合安全保证体系，例如日法德三国高速铁路均设置了风雨监测系统，在必要的时候即时报警限速，减小大风、强雨对行车安全的威胁。既有的监测系统主要有两种形式：第一种是综合运营管理系统的一个子系统，例如日本；第二种是完全独立的系统，例如德法。

日本高速铁路综合防灾安全监控系统所监测的内容包括风、雨、地震、雪、轨温及异物侵限等，具备实时报警功能。德国防灾安全监控系统监测内容主要包括风、雨、雪、塌方等。法国高铁灾害监测系统由众多独立的系统组成。风监测系统由现场采集设备、车站设备和中心设备组成；系统将监测报警信息同时发送给调度中心、CTC控车系统、车站设备和报警器。表1总结了日法德三国铁路防灾监测系统。

我国是世界上自然灾害最严重的国家之一，具有灾害种类多、发生频率高、分布范围广等特点。我国的高速铁路灾害监测系统是伴随高铁而发展的一个新系统，系统建设与高速铁路建设同步完成，同步开通。系统主要由现场监测设备、监控单元、监控数据处理设备、终端及传输通道等构成，并与调度指挥和信号等系统相互连通。风监测系统和雨量监测系统是高速铁路灾害监测系统中重要的两个子系统。目前，我国设计速度达到200km/h的铁路均设置了灾害监测系统，例如：京津、京广、京沪、杭深、哈大、沪昆、合福、兰新、贵广、南广、石太、郑西、合武、宁杭等。

（3）本文研究内容

本文拟根据佛肇铁路沿线的自然气候，结合佛肇城际铁路走向及周边地形地貌，对佛肇灾害监测系统风、雨监测子系统的监测布点选择、传感器选型、设备安装等方案进行分析研究；并且通过对线路开通近两年的监测数据分析，评估了系统的可靠性。

1 佛肇城际铁路风雨监测点布置优化

由于风雨的危害受铁路周边地形、铁路走向、铁路平纵断面等影响，为了更好地避免风雨导致的行车安全事故，对线路风雨监测点的位置进行了调查研究以及局部优化。依据佛肇城际纵断面图、线路线位图以及沿线的历史气象数据，结合现场地形条件对风监测布点方案进行局部优化。优化过程中主要依据以下原则进行：

（1）根据铁路沿线气象统计资料确定风速基本参数。

（2）高桥、高路堤、垭口、峡谷等特殊区段考虑风速提高因子。

（3）对于地表摩擦阻力较大的区段考虑速度降低因子。

（4）线路各区段内以风速最不利位置作为大风监测点。

最终在佛肇城际沿线设置狮山特大桥、狮山工业园特大桥、三水站大桥、三水西特大桥、南江工业园特大桥、青岐涌特大桥、大围基特大桥、永安特大桥、长利涌特大桥、鼎湖站大桥、羚山特大桥和七星岩特大桥总共12处风监测点。图1为大围基特大桥和羚山特大桥现场实况。

图1 大风监测点地理位置信息现场踏勘人员通过手持测风仪对所选的风监测点进行多次现场测试，结果见表2。所布测点位置均测量到较强风速，间接说明测点布置的正确性。经统计，测点间距最远10.4km，最近4km，平均间距6.9km，满足《铁路自然灾害及异物侵限监测系统工程设计暂行规定》的要求。

根据沿线地形、地貌以及地质和植被等情况，结合历史上整条线路的气象数据资料和现场踏勘情况，以及距离监测系统基站的距离等，对雨量监测点进行了优化布置；优化后在佛肇城际铁路沿线设置6处雨量监测点，见表3。雨量监测点间距最远30km，最近2.8km，平均14.2km，基本满足《铁路自然灾害及异物侵限监测系统工程设计暂行规定》的要求。图2为雨量监测点典型地形地貌示例。

2 传感器选型

铁路大风监测使用最多风速风向计主要有：三杯式、超声波式、螺旋桨式和热场式风速风向仪。我国兰新客专线主要使用的是螺旋桨式，京津城际主要使用的是热场式，其他线路使用最多的是超声波式风速仪。国外的高铁也主要使用超声波式和螺旋桨式风速风向仪。将各种仪器的特性进行对比，见表4。

总结如下：机械式风速仪（如：三杯和螺旋槳）使用过程中需要经常维修，超声波式风速仪在电磁干扰下容易出现测量误差；热场式风速仪受振动和电磁的干扰小，能够准确测量风速，而且不需要经常维护。因此，佛山至肇庆线采用精度高、可靠性更强、性价比更好的热场式风速仪。

雨量传感器分为机械式和非机械式两种，其中机械式的有翻斗式雨量计、虹吸式雨量计和双阀容栅式雨量计等；非机械式的有雷达式雨量计和压力感应式雨量计，如图3和图4所示：目前国内普速铁路主要采用翻斗式雨量计，高铁大多采用压力感应式雨量计。

从多年使用经验来看，机械式雨量计最大的问题在于出水口易堵，需要大量的后期维护；压力感应式雨量计的主要特点和优点在于能夠连续测量、准确度高、维护简单，容易安装，因此，经过比选佛山至肇庆线最终选择采用压力感应式雨量计。

3 系统可靠性分析

自2016年佛肇城际铁路风雨监测系统投入运用以来，因为大风引起的限速共发生了36次：包括限速120 km/h 6次、限速160km/h 30次、彻底封锁1次；因为大雨引起的限速总共发生了17次：包括限速45km/h 6次，限速120km/h 11次、彻底封锁1次；未出现错报误报等情况，未出现因大风和强降雨导致的行车安全事故，证实了佛肇城际铁路风雨监测系统的可靠性，确保了动车组列车运行安全。

结论

本文研究了佛山至肇庆城际铁路沿线地域的风雨环境特性，通过局部优化，确定了风速风向12个监测点和雨量6个监测点的具体布设位置；根据线路的实际情况及仪器特点，选用热场式风速风向测量仪和压力感应式雨量计；通过对线路开通以来近两年的报警信息数据进行统计分析，证实佛山至肇庆城际铁路沿线风雨监测系统安全可靠，能够为列车行车安全提供保证。

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